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Dokumentenidentifikation DE69401533T2 28.05.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0627795
Titel Vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von Bürsten
Anmelder Le Carbone Lorraine, Courbevoie, Hauts-de-Seine, FR
Erfinder Kammerer, Eric, F-80000 Amiens, FR;
Lietard, Christine, F-80000 Amiens, FR;
Deboves, Jean-Bernard, F-80000 Amiens, FR
Vertreter Beetz und Kollegen, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69401533
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 02.06.1994
EP-Aktenzeichen 944201581
EP-Offenlegungsdatum 07.12.1994
EP date of grant 22.01.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.05.1997
IPC-Hauptklasse H01R 39/20
IPC-Nebenklasse H01R 39/36   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Bürsten zum Sicherstellen des elektrischen Kontakts zwischen den beweglichen Teilen (Kollektoren) und den unbeweglichen Teilen eines Elektromotors.

Stand der Technik

Eine Bürste umfaßt typischerweise zwei Teile: einen elektrisch leitenden, am Kollektor eines Motors schleifenden Verschleißklotz und eine metallische Anschlußlitze (oder -kabel).

Im allgemeinen umfaßt die Herstellung von Bürsten die folgenden Schritte:

a) Herstellen wenigstens eines Gemischs von Pulvern, die leitfähige Pulver enthalten (elektrische Leitung), typischerweise Pulver, die feste kohlenstoffhaltige und/oder metallische Teilchen enthalten, vermischt mit bei Umgebungstemperaturen festen Bindemitteln oder überzogen mit Bindemittel, typischerweise Pechen, Teeren oder Kunstharzen,

b) das Formen eines Bürstenrohlings durch Abformen und Pressen des Pulvergemischs in einer Form von geeigneter Gestalt,

c) Backen des Bürstenrohlings,

d) das Bringen auf Endmaß durch Materialabtragung.

Die Befestigung der leitfähigen Litze (oder des Kabels), im allgemeinen aus Kupfer, kann in unterschiedlicher Weise durchgeführt werden:

- indem im Schritt b) des Formens die Litze vor dem Pressen in die Form eingeführt wird, um das Pressen zum Verankern des Flechtdrahts im Pulvergemisch zu nutzen, oder

- in Schritt d), indem die Litze durch Herstellen eines Lochs im Verschleißklotz oder durch Verlöten der Litze mit dem eine Metallschicht aufweisenden Verschleißklotz oder durch Annieten der Litze an den Verschleißklotz befestigt wird.

Es sind auch Bürsten bekannt, bei denen der Verschleißklotz mehrschichtig ist, d.h. bei denen der Verschleißklotz miteinander fest verbundene Schichten aus Materialien unterschiedlicher Art umfaßt.

Das franzosische Patent FR 2 009 196 beschreibt ein typisches Beispiel für eine Mehrschichtbürste.

Problemstellung

Ein Problem bei den herkömmlichen Bürsten sind ihre relativ hohen Herstellungskosten.

Insbesondere der Materialabtragungsschritt d) ist aus wenigstens zwei Gründen kostspielig, einerseits beansprucht er Arbeitskraft und industrielle Einrichtungen (Maschinen, Gebäude ...), was nicht zu vernachlässigenden Investitionskosten und laufenden Kosten entspricht, und andererseits erzeugt er Bearbeitungsabfälle, die zum einen die Materialkosten für die Bürsten erhöhen und andererseits eine Quelle für Feststoffmüll sind, dessen Behandlung zusätzliche Kosten erzeugt.

Außerdem ist bekannt, daß die Befestigung der Anschlußlitze durch Bearbeiten bzw. Löten des Verschleißklotzes kostspieliger ist als das Einführen in die Form im Schritt b).

Außerdem ist bekannt, daß, was die Bindemittel betrifft, synthetische Bindemittel wie z.B. Phenolharze kostspieliger sind als Bindemittel vom Typ Steinkohlen- oder Erdölpech, Teere (Gemische von Pechen und Ölen), die sämtlich Erzeugnisse der fraktionierten Destillation von Steinkohle oder Erdöl sind.

Nach Durchführung von Kostenanalysen hat die Anmelderin Mittel gesucht, mit denen direkt in den Endmaßen (und damit ohne Materialabtragung), mit in die Form eingeführter Litze und unter Verwendung eines preiswerten Bindemittels, insbesondere eines Destillatbindemittels (im Gegensatz zu einem synthetischen Bindemittel) hergestellt werden kann.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß umfaßt das Verfahren zur Herstellung einer Bürste für einen Elektromotor mit einem Verschleißklotz und einer Anschlußlitze einen Schritt a) des Zubereitens wenigstens eines Pulvergemischs, das wenigstens ein leitfähiges, mit einem Bindemittel überzogenes Pulver umfaßt, einen Schritt b) des Abformens durch Pressen des Gemischs / der Gemische in einer Form unter Einbeziehung der Litze, um einen Bürstenrohling zu formen, und einen Schritt c) des Bakkens des Bürstenrohlings, und ist dadurch gekennzeichnet, daß, um eine preiswerte Bürste durch direktes Abformen in den Endmaßen zu erhalten, in Schritt a) wenigstens ein Gemisch M1 zubereitet wird, das ein Destillatbindemittel L umfaßt und aus dem Destillationserzeugnis von Steinkohle oder Erdöl oder einen von einem solchen Destillationserzeugnis abgeleiteten Erzeugnis besteht, und wenigstens einem Graphitpulver P1 in Form von festen Teilchen mit einer mittleren Dicke von unter 25 µm und einem hohen mittleren Formfaktor F1 (Verhältnis größte Ausdehnung / kleinste Ausdehnung) von über 5.

Es ist dem Fachmann bekannt, daß das Pressen der Pulver zu Spannungen führt, und daß beim Backen eine zwischenzeitliche Erweichung auftritt, die schließlich zu beträchtlichen Verformungen führt, die eine Materialabtragung an den Bürsten nach dem Backen erforderlich machen.

Um diese Verformungen zu verringern, sind bereits besondere Verfahren zum Erzeugen von Bürsten bekannt, die am Ende des Backens im wesentlichen die Endmaße haben.

Unter diesen Verfahren kann man das Einbringen von Schwefel in ein Destillatbindemittel (Pech, Teer), oder die Verwendung eines duroplastischen synthetischen Bindemittels anführen.

Diese zwei Verfahren sind jedoch auszuschließen, wenn man eine preiswerte Bürste herstellen will.

Die Verwendung von Schwefel erlaubt es nämlich nicht, eine Kupferlitze vor dem Backen (beim Abformen) einzuführen, da der Schwefel während des Backens die Kupferlitze angreift. Wie bereits erwähnt, ist es außerdem ausgeschlossen, die Befestigung einer Kupferlitze an einem Verschleißblock bei der Materialabtragung vorzusehen, da dieses Verfahren zu kostspielig ist.

Die Verwendung eines duroplastischen synthetischen Harzes zur Herstellung des Verschleißklotzes einer preiswerten Bürste ist ausgeschlossen, da seine Kosten etwa das Zehnfache der Kosten eines Destillatbindemittels betragen.

Die Anmelderin hat daher nach anderen Wegen gesucht, mit denen unter Verwendung von preiswerten Bindemitteln (aus der Destillation von Steinkohle oder Erdöl erhaltene Bindemittel) direkt nach dem Backen Bürsten mit Endmaßen erhalten werden können, und bei denen die Kupferlitze beim Preßformungsschritt eingeführt wird.

Die Lösung, die sie gefunden hat, und mit der direkt nach dem Backen äuslieferungs bereite Bürsten mit definitiven Maßen erhalten werden können, ist somit gekennzeichnet durch das notwendige Vorhandensein eines Graphitpulvers, das gleichzeitig eine große Schlankheit, d.h. einen hohen Formfaktor F1, und eine relativ geringe mittlere Dicke aufweist.

Die Anmelderin hat festgestellt, daß wenn die Schlankheit zu gering oder die mittlere Dicke zu groß ist, das Backen des Bürstenrohlings zu Verformungen führte, die zu stark waren, als daß die gebackenen Bürsten ohne ergänzende Materialabtragung, so wie sie sind, verwendet werden könnten.

Bislang haben die Untersuchungen der Anmelderin es nicht ermöglicht, mit Sicherheit die Gründe festzustellen, aus denen die Verwendung eines Destillatbindemittels und von besonderen Graphitpulvern gemäß der Erfindung ein Backen ohne merkliche Verformung ermöglicht.

Der Ausdruck "ohne merkliche Verformung" bedeutet, daß die winzigen Verformungen, die sich während des Backens ergeben können, innerhalb der Maßtoleranzen der Bürsten (s. Normen CEI 136 (C) (1986) - DIN 43000 (1973) - AFNOR C 51902 (1968)) liegen. Diese Normen sind in vereinfachter Form in die von der Anmelderin herausgegebenen technische Mitteilung STA AE 16-4 F aufgenommen. Beispielsweise betragen bei einem nominellen (oder, da die Bürste einen kleineren Querschnitt als die Bürstenhalterung haben muß, für "t" und "a" theoretischen) Maß von 10 mm die Toleranzen der verschiedenen normalisierten Maße in den drei Richtungen "t", "a" und "r":

für "t": von 10 - 0,03 mm bis 10 - 0,11 mm,

für "a": von 10 - 0,03 mm bis 10 - 0,11 mm,

für "r": 10 ± 0,3 mm.

Diese Maße sind in den Fig. 1a und 1b dargestellt. Bei dieser Patentanmeldung entspricht die "Höhe" einer Bürste der Richtung "r".

Dem Fachmann ist ferner bekannt, daß nicht alle Verformungen während des Backens in gleicher Weise kritisch oder mangelbegründend sind. Der Fachmann fürchtet neben der Rißbildung in der Bürste während des Backens insbesondere zufällige Verformungen (deswegen strebt er reproduzierbare Produktionsbedingungen an) oder Verformungen, die einer Krümmung der Bürste entsprechen, durch die sie unbenutzbar würde. Eine homothetische (ähnlichkeitserhaltende) reproduzierbare Verformung während des Backens ist nicht zwangsläufig eine Verformung, die ein Problem aufwirft, da der Fachmann nach Vorversuchen eine reproduzierbare homothetische Verformung bei der Konstruktion der Bürste und dem Verfahren zu ihrer Herstellung berücksichtigen kann.

Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Mittel begegnen dem Problem der für den Fachmann störenden Verformungen.

Figurenbeschreibung

Die Fig. 1a und 1b zeigen eine perspektivische Darstellung von durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Bürsten.

Fig. 1a zeigt eine Einschichtbürste (1), bestehend aus einem Verschleißklotz (2) und einer Kupferlitze (4), Fig. 1b zeigt die Mehrschichtbürste (10) aus Beispiel 1, bestehend aus einer Verschleißschicht (20) und einer Verbindungsschicht (3), in der die Kupferlitze (4) verankert ist. Der Kollektor (5) sowie die normalisierten Richtungen "a" , "r" und "t" sind dargestellt.

Fig. 2 zeigt schematisch im Schnitt in Preßrichtung die Herstellung eines Mehrschichtbürstenrohlings (8) (mit Schichten C1 und C2) durch Pressen eines Gemischs M2, in das die Litze (4) eingefügt ist, und eines Gemischs M1 von zwei Pulvern P1 und P2 mit großer bzw. geringer Schlankheit in einer Form (6) mit Hilfe eines Stempels (7) und zeigt, daß die plättchenförmigen Teilchen P1 mit großer Schlankheit beim Pressen zerbrechen.

Die Fig. 3a und 3b zeigen im Schnitt entlang zweier zueinander senkrechter Achsen jeweils ein typisches Teilchen des Pulvers P1 und des Pulvers P2. Der Formfaktor (Schlankheit) eines Teilchens ist das Verhältnis D/d (größte Ausdehnung D/kleinste Ausdehnung d).

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine (auf Grundlage von Mikrophotographien vereinfachte) Schnittdarstellung des Gemischs M1 der Pulver P1 und P2 vor bzw. nach dem Pressen. Man erkennt eine Fragmentierung der Teilchen P1 nach dem Pressen (das Bindemittel L ist in den Figuren nicht dargestellt)

Fig. 5 zeigt den Bereich der Gewichtszusammensetzung der Bestandteile des Gemischs M1 (Parallelogramm ABCD):

- Bindemittel L: zwischen 25 und 30 %,

- Pulver P1 mit hoher Schlankheit: zwischen 15 und 75 %,

- Pulver P2 mit geringer Schlankheit: zwischen 0 und 55 %.

In Fig. 5 ist ferner der bevorzugte Bereich dargestellt (Parallelogramm A'B'C'D'):

- Bindemittel L: zwischen 25 und 30 %,

- Pulver P1: zwischen 30 und 60 %,

- Pulver P2: zwischen 15 und 40 %.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Obwohl das wesentliche Mittel der Erfindung die Auswahl eines Pulvers P1 mit besonderer Morphologie ist, hat die Anmelderin festgestellt, daß es vorzuziehen ist, einen Verschleißklotz (2) oder eine Verschleißschicht (20) durch Pressen eines Gemischs herzustellen, das das Pulver P1, das Bindemittel L und ein anderes Graphitpulver P2 umfaßt, das aus Teilchen geringer Schlankheit mit einem kleinen Formfaktor F2 unter 3 besteht.

Obwohl das Gemisch aus Pulver P1 und Bindemittel L zu einer Bürste führt, die das gestellte Problem löst und nach dem Backen die normgemäßen Endmaße aufweist, so ist dennoch vorzuziehen, daß ein Graphitpulver P2 mit geringer Schlankheit dem Pulver P1 zugemischt wird, im wesentlichen, um die Bürste zu "härten", gleichzeitig aber auch um die Verschmutzung des Kollektors und den Verschleiß der Bürsten zu verringern.

Von allen möglichen Zusammensetzungen des Gemischs M1 aus drei Bestandteilen L, P1 und P2, die üblicherweise in Form eines Dreiecks dargestellt werden, von dem jede Ecke (L, P1 und P2) 100 % des entsprechenden Bestandteils entspricht, umfassen die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen nur einen begrenzten Bereich. Wie in Fig. 5 an einem Dreieck mit Ekken L, P1, P2 gezeigt, ist dieser Bereich das Parallelogramm ABCD und der bevorzugte Bereich ist das Parallelogramm A'B'C'D'.

Beispielsweise sind die Koordinaten bzw. Zusammensetzungen der Punkte A, B, C, D (in Gew.-%, deren Summe 100 beträgt):

Alle morphologischen Merkmale der Pulver P1 und P2 und die die Zusammensetzung betreffenden Begrenzungen ergeben sich aus den Untersuchungen der Anmelderin und stellen eine Auswahl von experimentellen Bedingungen dar, mit denen sämtliche nachfolgenden Bedingungen erfüllt werden können:

- die Ausgangspulver sind preiswert, erfordern keine besonderen Bearbeitungen und sind nach den gewöhnlichen Normen des Fachs zu handhaben,

- geringe Verformung der Bürsten beim Backen,

- Litze beim Pressen in den Verschleißklotz/die Verbindungsschicht eingefügt.

Es ist selbstverständlich, daß die hergestellten Bürsten den üblichen Werten entsprechende mechanische Eigenschaften haben müssen und haben.

Wenn z.B. der Gewichtsanteil an Destillatbindemittel im Gemisch M1 zu groß ist (> 30 %), besteht die Gefahr einer Überfeuchtung des Gemischs M1 und von Rißbildung in der Bürste während des Backens. Wenn er jedoch zu gering ist (< 25 %), werden die festen Teilchen (Graphitpulver P1 und P2) nicht gebunden, was der mechanischen Festigkeit der fertigen Bürste schadet (zu große Zerbrechlichkeit der Bürste), und was zu einer erhöhten Verschleißgeschwindigkeit führt.

Was das Verhältnis der Anteile der zwei Pulverarten P1 und P2 zueinander angeht, so stellt man fest, daß, wenn der Anteil an Pulver P1 im Vergleich zum Gehalt an Pulver P2 zu klein ist, eine zu große Verformung beim Backen auftritt. Wenn hingegen das Pulver P2 fehlt, so erhält man zwar durchaus eine Bürste, die das gestellte Problem löst, doch wie bereits erwähnt, hat die Anmelderin in diesem Fall einen schnelleren Verschleiß der Bürsten sowie eine stärkere Verschmutzung des Kollektors festgestellt.

Aus all diesen Gründen ist der bevorzugte Bereich gegeben durch das Parallelogramm A'B'C'D', das den folgenden Intervallen (Gewichtszusammensetzung) entspricht:

L : von 25 bis 30 %,

P1: von 30 bis 60 %

P2: von 15 bis 40 %.

Erfindungsgemäß besteht das Graphitpulver P1 vorzugsweise aus Plättchen (Teilchen mit deutlich zweidimensionalem Charakter) von hoher Schlankheit mit einem mittleren Formfaktor F1 zwischen 5 und 20 und einer mittleren Dicke zwischen 1 und 15 µm.

Das Graphitpulver P2 mit geringer Schlankheit besteht vorzugsweise aus Körnern (Teilchen mit deutlich dreidimensionalem Charakter) mit einem mittleren Formfaktor F2 in der Nähe von 1 und einem mittleren Durchmesser zwischen 10 und 200 µm, vorzugsweise zwischen 30 und 100 µm.

Es kann vorteilhaft sein, eine Mehrschichtbürste herzustellen, wie in Fig. 1b für eine Zweischichtbürste gezeigt, die aus einer Verschleißschicht (20) und einer Verbindungsschicht (3) besteht, in der die Litze (4) verankert ist, insbesondere, um den Kontaktspannungsabfall (aufgrund des elektrischen Widerstands des Kontakts) zwischen der Litze und dem Rest der Bürste zu verringern.

Zu diesem Zweck werden im Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens zwei verschiedene Pulvergemische M1 und M2 zubereitet, wobei M1 dem zuvor beschriebenen Gemisch entspricht und M2 ein Graphitpulver, ein Kupferpulver und ein synthetisches Bindemittel umfaßt, und in Schritt b) werden zwei übereinanderliegende Schichten gepreßt, eine untere Schicht, die aus dem Pulvergemisch M1 besteht und eine obere Schicht, die aus dem Gemisch M2 besteht, nachdem in die obere Schicht das Ende der Litze eingefügt worden ist, um einen Zweischicht-Bürstenrohling, bestehend aus einer Verschleißschicht C1 und einer Verbindungsschicht C2 zu erhalten, in der die Litze verankert ist. Im Anschluß an das Backen des Bürstenrohlings in Schritt c) erhält man eine Bürste, die ohne ergänzende Materialabtragung verwendbar ist.

Vorzugsweise umfaßt das Gemisch M2 ein durch ein synthetisches Bindemittel verdichtetes Graphitpulver und ein Kupferpulver mit einem Gewichtsanteil zwischen 15 und 30 %, wobei das synthetische Bindemittel unter den duroplastischen Harzen, insbesondere unter Phenolharzen, ausgewählt ist.

Da das Gemisch M2 ein teureres Bindemittel enthält, ist es vorteilhaft, die Menge des Gemischs M2 (im Verhältnis zur Menge des Gemischs M1) auf das zur Verankerung der Litze unbedingt Notwendige zu beschränken.

Typischerweise wählt man die Mengen an Gemisch M1 und M2 so, daß nach dem Pressen ein Mehrschicht-Bürstenrohling erhalten wird, bei dem die Schicht C2, in der die Litze verankert ist, eine Höhe zwischen 2 und 10 mm hat, wobei die Höhe der Schichten der Preßrichtung der Gemische in der Form entspricht. Üblicherweise liegt das Verhältnis "Höhe der Schicht C1 / Höhe der Schicht C2" im wesentlichen zwischen 2 und 30, meist im Bereich von 5 bis 10.

Wie man feststellt, enthält also der allergrößte Teil des Materials, aus dem die Bürste besteht, ein preiswertes Bindemittel.

Das Destillatbindemittel der Verschleißschicht (20) oder des Verschleißklotzes (2) besteht aus einem Destillationserzeugnis von Steinkohle oder Erdöl oder einem von einem solchen Destillationserzeugnis abgeleiteten Erzeugnis. Direkt oder auch nach einer Umwandlung durch Destillation von Steinkohle oder Erdöl erhaltene Bindemittel sind nämlich preiswert im Vergleich zu synthetischen Bindemitteln (typischerweise duroplastischen Harzen vom Phenol-, Epoxyoder anderen Typen).

Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, eine Einschichtbürste, bestehend aus einem einzigen, kein Kupferpulver enthaltenden Material herzustellen, mit der die Ziele der Erfindung ebenfalls erreicht werden können.

In diesem Fall wird in Schritt a) des Herstellungsverfahrens das Gemisch M1 verknetet mit einer Lösung eines synthetischen Bindemittels mit mindestens 25 % Gew.-Anteil an unverdünntem Material in einem Lösemittel, und das Kneten wird fortgesetzt, bis das Gemisch M1 und die Lösung in einem Lösemittel homogenisiert und das Lösemittel der Lösung beseitigt ist.

Typischerweise werden 90 Teilen Gemisch M1 5 bis 20 Teile synthetisches Bindemittel (ausgedrückt bezogen auf unverdünntes Material) zugesetzt. Vorzugsweise liegt die Menge an synthetischem Bindemittel zwischen 7 und 12 Teilen und ist um wenigstens 50 % kleiner als die Menge an Destillatbindemittel L. Das synthetische Bindemittel ist vorzugsweise ein Phenolharz und das Losemittel ist vorzugsweise ein Alkohol. Die Mengen an synthetischem Bindemittel (ausgedrückt bezogen auf unverdünntes Material) sind so gewählt, daß eine preiswerte fertige Einschichtbürste mit definitiven Maßen am Ende des Backens erhalten werden kann, die eine ausreichend fest verankerte Litze (4) aufweist. Die Mengen sind gewählt, um ein ausreichend flüssiges Kneten zum Erzielen einer Homogenisierung des Gemischs M1 und des synthetischen Bindemittels zu ermöglichen.

Diese Art "Einschicht"-Bürste ist deutlich preiswerter als eine "Zweischicht"-Bürste aufgrund ihrer einfacheren Herstellung, bei der nur ein Pulvergemisch zuzubereiten und zu verarbeiten ist; obwohl die Menge an synthetischem Bindemittel insgesamt bei einer Einschichtbürste größer als bei einer Zweischichtbürste ist, ist sie doch geringer als die verwendete Menge Destillatbindemittel - um wenigstens 50 %.

Egal, ob es sich um "Zweischicht"- oder "Einschicht"- Bürsten handelt, ist das erfindungsgemäße Verfahren geeignet zur Herstellung von relativ schlanken (im Verhältnis zum Querschnitt hohen) Bürsten, insbesondere zur Herstellung von Bürsten, deren Schlankheitsfaktor p, definiert als das Verhältnis "Höhe / Quadratwurzel des Querschnitts", zwischen 2 und 6 liegt. Die Begrenzungen des Schlankheitsfaktors p beruhen auf der folgenden Feststellung: einerseits tritt bei p < 2 das Problem der Erfindung nicht auf, da die Schlankheit der Bürste zu gering ist, andererseits besteht bei p > 6, wenn die Schlankheit der Bürste zu groß ist, die Gefahr, daß die Bürste nicht direkt und zuverlässig mit den Mitteln der Erfindung hergestellt werden kann.

Beispiele Beispiel 1

Die in Beispiel 1b dargestellte Mehrschichtbürste wurde nach dem in Fig. 2 schematisch dargestellten Verfahren hergestellt.

Schritt a):

Das Gemisch M2 wurde mit der folgenden Gewichtszusammensetzung hergestellt:

* Kupferpulver: 20 Anteile

Dieses handelsübliche Kupferpulver besteht aus Teilchen mit mittlerem Durchmesser im Bereich 30 µm.

* Mit Phenolharz verdichtetes handelsübliches Naturgraphitpulver: 80 Anteile.

Das Graphitpulver ist vom Typ P1 (Plättchen) mit einem mittleren Formfaktor F1 von 8 und einer mittleren Dicke der das Pulver bildenden Plättchen von 10 µm. Das Gewichtsverhältnis "Graphitpulver / Phenolharz" beträgt 75/25. Die scheinbare Dichte des Gemischs M2 beträgt 0,85.

Das Gemisch M1 wurde mit der folgenden Zusammensetzung zubereitet:

* Pulver P1: Graphitpulver (Gemisch zu im wesentlichen gleichen Teilen aus handelsüblichem Kunstgraphit und Naturgraphit), bestehend aus Plättchen von 5 bis 10 µm Dicke und 50 bis 200 µm größter Ausdehnung (s. Fig. 3a). Der verwendete Naturgraphit ist gekennzeichnet durch eine mittlere Plättchendicke von 10 µm und einen mittleren Formfaktor F1 von 8, wohingegen der verwendete Kunstgraphit gekennzeichnet ist durch eine mittlere Dicke von 5 µm und einen Formfaktor F1 von 12.

* Pulver P2: handelsübliches Kunstgraphitpulver mit im wesentlichen kugelförmigen Körnern (Formfaktor nahe 1) und mittlerem Durchmesser von 50 µm.

* Destillatbindemittel L: handelsübliches Steinkohlenpech.

Die Gewichtszusammensetzung des Gemischs M1 ist die folgende:

Pulver P1: 45 %,

Pulver P2: 27,5 %,

Bindemittel L: 27,5 %,

Diese Zusammensetzung entspricht dem Punkt 1 der Fig. 5. Die scheinbare Dichte des Gemischs M1 beträgt 0,75.

Schritt b)

Eine Form (6) mit Innenmaß 11 x 6 mm², deren Innenform sich aus Fig. 1b durch Verlängern der Richtung "r" ergibt, wurde gefüllt. Zunächst wurde das Gemisch M1 mit einer Pulverhöhe von 50 mm und dann das Gemisch M2 mit einer Höhe von 10 mm eingefüllt. Der Preßstempel (7) trägt eine Anschlußlitze (4). Die Anordnung aus Pulvergemischen und Litze wurde gepreßt, um die in Fig. 1b gezeigte Bürste mit einer Gesamthöhe in der Nähe von 23 mm zu erhalten. Die Höhe der Schicht C1 (gepreßtes Gemisch M1) beträgt 18,2 mm und die der Schicht C2 (gepreßtes Gemisch M2) beträgt 4,8 mm.

Die Dichte der Schicht C1 liegt zwischen 1,78 und 1,80, die der Schicht C2 zwischen 1,9 und 2,1.

Schritt c):

Die Bürste wurde bei 600 ºC in nichtoxidierender Atmosphäre gebacken, um die Oxidierung der Kupferlitze zu vermeiden. Bei allen Versuchen war die Volumenzusammensetzung der Gasatmosphäre 10% H2, 90 % N2.

Die Endmaße der Bürste sind:

* Höhe (in Richtung "r") : 23,11 mm

* Länge (in Richtung "a"): 11,21 mm

* Breite (in Richtung "t") : 6,23 mm.

Ihr Schlankheitsfaktor p beträgt 23,11 / (11,21 x 6,23)1/2, d.h. 2,77.

Für einen Bürstenhalter mit nominellem Innenmaß 11,3 mm x 6,3 mm ("a" x "t") und einer Bürste von 23 mm Höhe (nomineller Wert) betragen die normalisierten Toleranzen für jeweils "r", "a" und "t":

* Höhe "r": 22,5 - 23,5 mm

* Länge "a": 11,26 - 11, 17 mm

* Breite "t": 6,27 - 6,19 mm.

Ergebnisse:

- Einerseits wurde keine merkliche Verformung der Bürsten nach dem Backen festgestellt (keine mangelbegründende Krümmung der Bürste in Richtung "r"). Die festgestellten Verformungen sind so gering (einige Hundertstel mm), daß die Maße der Bürste im Anschluß an das Backen innerhalb der Toleranzen liegen.

Die Versuche zur Reproduzierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden an einer Probe von 100 Bürsten aus einer Produktion von 10.000 Bürsten durchgeführt. Es wurde festgestellt, daß nicht nur alle geformten Rohbürsten ohne ergänzende Materialabtragung den Maßnormen genügten, sondern daß außerdem die Streuung der Maße gering war.

Die beobachteten Streuweiten (Streuweite im statistischen Sinn = Maximalwert - Minimalwert) für eine Charge von 100 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bürsten sind die folgenden:

* für die Höhe (Richtung "r"): 0,52 mm

* für die Länge (Richtung "a"): 0,049 mm

* für die Breite (Richtung "t") : 0,046 mm.

Vergleicht man diese Werte mit den bereits genannten normgemäßen Maßtoleranzen (Streuweiten):

* für die Höhe (Richtung "r"): 1 mm

* für die Länge (Richtung "a") : 0,09 mm

* für die Breite (Richtung "t") : 0,08 mm,

so erkennt man, in welch engen Grenzen das erfindungsgemäße Verfahren reproduzierbar ist, was einen großen Vorteil darstellt.

Die Versuche und ergänzende Tests haben einerseits die sehr gute mechanische Festigkeit der Anschlußlitze und andererseits die ausgezeichneten Gebrauchseigenschaften der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bürsten erwiesen, insbesondere im Fall von Hausgerätemotoren höherer Leistung (Leistung von 500 bis 1000 W oder darüber), wo ein relativ geringer Verschleiß der Bürsten festgestellt wurde.

Beispiel 2

Es wurden Bürsten hergestellt, die in allen Punkten mit denen aus Beispiel 1 identisch waren, mit der Ausnahme, daß die Zusammensetzung des zum Bilden der Schicht C1 (20) verwendeten Gemischs M1 die folgende ist (Punkt 2 in Fig. 5):

Pulver P1: 67,5 %

Pulver P2: 5 %

Bindemittel L: 27,5 %.

Nach dem Backen wurden Bürsten erhalten, deren Maße innerhalb der Norm lagen, im wesentlichen wie die Bürsten aus Beispiel 1. Diese Bürsten zeigten jedoch auf dem Versuchsstand eine geringfügig größere Verschleißgeschwindigkeit als die Bürsten aus Beispiel 1.

Beispiel 3

Es wurden Bürsten hergestellt, die in allen Punkten mit denen aus Beispiel 1 identisch waren, mit der Ausnahme, daß die Zusammensetzung des zum Bilden der Schicht C1 verwendeten Gemischs M1 die folgende war (Punkt 3 in Fig. 5):

Pulver P1: 20 %

Pulver P2: 52,5 %

Bindemittel L: 27,5 %

Nach dem Backen wurden Bürsten erhalten, deren Maße innerhalb der Norm aber an der Grenze der Norm lagen, im wesentlichen wie die Bürsten aus Beispiel 1.

Beispiel 4

Es wurden Bürsten entsprechend der Fig. 1a hergestellt, die in allen Punkten mit jenen aus Beispiel 1 identisch waren mit der Ausnahme, daß nur ein Gemisch M1 zubereitet wurde und das Gemisch M2 aus Beispiel 1 durch das Gemisch M1 ersetzt wurde.

Es wurden Bürsten erhalten, die hinsichtlich ihrer Ausmaßeigenschaften denen aus Beispiel 1 entsprachen, allerdings etwas schlechtere Gebrauchseigenschaften als die aus Beispiel 1 hatten (höhere elektrische Verluste aufgrund eines höheren Kontaktwiderstands, und daher eine geringere Haltbarkeit).

Beispiel 5

Es wurden "Einschicht"-Bürsten auf folgende Weise hergestellt:

Schritt a):

* zunächst wurde das Gemisch M1 aus Beispiel 1 zubereitet,

* dann wurde das Gemisch M1 mit einer 40%igen Phenolharzlösung in Ethanol verknetet. Für 90 Anteile Gemisch M1 wurden 8 Anteile Phenolharz (ausgedrückt bezogen auf unverdünntes Phenolharz) und 12 Anteile Ethanol verwendet, alle Anteile gewichtsbezogen,

* das Kneten wurde bis zur völligen Homogenisierung und bis zur Beseitigung des Alkohols durch Verdampfen aufgrund der durch das Kneten selbst freigesetzten Wärme fortgesetzt, um nach dem Abkühlen ein zum Pressen bereites Pulver zu erhalten.

Schritt b):

Das zum Pressen bereite Pulver wurde in die Form aus Beispiel 1 mit einer Höhe von 60 mm eingefüllt und gepreßt, um eine Höhe im Bereich von 23 mm zu erhalten.

Schritt c) wurde durchgeführt wie in Beispiel 1.

Die erhaltenen Ergebnisse entsprachen denen der Bürsten aus Beispiel 1.

Andere Versuche:

Alle Versuche, die auf Grundlage einer Zusammensetzung des Gemischs M1 außerhalb des Parallelogramms ABCD durchgeführt wurden, scheiterten am Material (z.B. aus Mangel an Bindemittel L < 25 %), oder waren gerissen (L > 30 %) oder waren nach dem Backen zu stark verformt (P2 > 55 % für L zwischen 25 und 30 %)

Anwendungen

Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von Bürsten für Hauselektrogeräte (Staubsauger, Bohrmaschinen, ...), insbesondere solche höherer Leistung (typischerweise von 500 bis 1000 W und darüber).

Sie betrifft außerdem Bürsten von relativ geringer Höhe, typischerweise im Bereich von 15 mm, die in den Motoren von Benzinpumpen verwendet werden.

Vorteile der Erfindung

Mit der Erfindung können Ein- oder Zweischichtbürsten hergestellt werden, die im unbearbeiteten Zustand nach dem Backen bereits die definitiven Maße aufweisen und ein Anschlußkabel oder eine Anschlußlitze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besitzen, wodurch der Durchgang der Bürsten durch eine Nach- oder Endbearbeitungswerkstatt überflüssig wird.

Außerdem wird dieses Ergebnis mit Hilfe von standardmäßigen Werkzeugen zum Preßformen von Bürsten erzielt, wobei zum größten Teil ein preiswertes Bindemittel verwendet wird. Der gesamte wirtschaftliche Nutzen ist daher beträchtlich und liegt ja nach Fall zwischen 5 und 15 % im Vergleich zu vergleichbaren Bürsten nach dem Stand der Technik, was für Großserienerzeugnisse beträchtlich ist, und wobei der wirtschaftliche Nutzen im Falle der "Einschicht"-Bürsten größer ist.

Vom technischen Standpunkt her ist die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte "Zweischicht"-Bürste besonders leistungsfähig und kann je nach bei ihrer Anwendung auftretenden Anforderungen der "Einschicht"-Bürste vorzuziehen sein. Bei einer "Zweischicht"-Bürste kann durch die Zusammensetzung der für die Verankerung der Litze (4) vorgesehenen Schicht (3) und insbesondere die gemeinsame Verwendung von Kunstharz und Kupferpulver gleichzeitig eine sehr gute körperliche Verankerung der Litze und vor allem ein Konstaktspannungsabfall am übergang Litze (4) / Verbindungsschicht (3) (im Bereich 1,5 mV) erzielt werden, der im Vergleich zu dem bei einem übergang Litze (4) / Verschleißklotz (2) (im Bereich 50 mV) gering ist.

Dies kann daran liegen, daß wie beobachtet wurde, das Bakken einer Zweischichtbürste zu einer leichten Dehnung der Schicht C1, aber zu einer leichten Schrumpfung der Schicht C2 führt, was zu einer Verstärkung der Verankerung der Litze in der Schicht C2 durch Kompression des die Litze (4) umgebenden Materials führt.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung einer Bürste (1, 10) für einen Elektromotor mit einem Verschleißklotz (2, 20) und einer Anschlußlitze (4), mit einem Schritt a) des Zubereitens wenigstens eines Pulvergemischs mit wenigstens einem mit einem Bindemittel überzogenen leitfähigen Pulver, einem Schritt b) des Preßformens des Gemisches / der Gemische in einer Form (6) unter Einfügung der Litze (4), um einen Bürstenrohling (8) zu formen, und einem Schritt C) des Backens des Bürstenrohlings (8), dadurch gekennzeichnet, daß, um eine preiswerte Bürste (1, 10) durch direktes Formen in den Endmaßen zu erzeugen, in Schritt a) wenigstens ein Gemisch M1 zubereitet wird, das ein Destillatbindemittel L, das aus dem Destillationserzeugnis von Steinkohle oder Erdöl oder einem von einem solchen Destillationserzeugnis abgeleiteten Erzeugnis besteht, und wenigstens ein Graphitpulver P1 in Form von festen Teilchen mit einer mittleren Dicke unter 25 µm und einem großen mittleren Formfaktor F1 (Verhältnis größte Ausdehnung / kleinste Ausdehnung) von über 5 umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Gemisch M1 das Pulver P1, das Bindemittel L und ein Graphitpulver P2 geringer Schlankheit mit einem niedrigen mittleren Formfaktor F2 von unter 3 umfaßt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem das Gemisch M1 aus einem Gemisch von 15 bis 75 Gew.-% des Pulvers P1, 30 bis 25 Gew.-% des Bindemittels L und 0 bis 55 Gew.-% des Pulvers P2 besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Gemisch M1 vorzugsweise aus einem Gemisch von 30 bis 60 Gew.-% des Pulvers P1, 30 bis 25 Gew.-% des Bindemittels L und 15 bis 40 Gew.-% des Pulvers P2 besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Graphitpulver P1 in Form von Plättchen (Teilchen von deutlich zweidimensionalem Charakter) mit hoher Schlankheit vorliegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Graphitpulver P2 mit geringer Schlankheit in Form von Körnern (Teilchen mit deutlich dreidimensionalem Charakter) mit mittlerem Formfaktor F2 in der Nähe von 1 vorliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Pulver P2 einen mittleren Durchmesser von zwischen 16 und 200 µm und vorzugsweise zwischen 30 und 100 µm hat.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem in Schritt a) zwei verschiedene Pulvergemische M1 und M2 zubereitet werden, wobei M2 ein Graphitpulver, ein Kupferpulver und ein synthetisches Bindemittel aufweist, und in Schritt b) zwei übereinanderliegende Schichten gepreßt werden, wobei eine untere Schicht C1 aus dem Pulvergemisch M1 und eine obere Schicht C2 aus dem Pulvergemisch M2 besteht, nachdem das Ende der Litze (4) in die obere Schicht C2 eingefügt worden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Gemisch M2 ein durch ein synthetisches Bindemittel verdichtetes Graphitpulver und ein Kupferpulver mit einem Gewichtsanteil von zwischen 15 und 35 % umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das synthetische Bindemittel vorzugsweise ein Phenolharz ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Mengen der Gemische M1 und M2 so gewählt werden, daß nach dem Pressen eine Mehrschichtbürste erhalten wird, deren obere Schicht C2, in der die Litze (4) verankert ist, eine Höhe zwischen 2 und 10 mm hat, wobei die Höhe der Schichten, die der Preßrichtung der Gemische in der Form entspricht, ein Verhältnis "Höhe der Schicht C1 / Höhe der Schicht C2" von zwischen 2 und 30 aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schlankheitsfaktor p der Bürste, definiert als das Verhältnis "Höhe / Quadratwurzel des Querschnitts", zwischen 2 und 6 liegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem in Schritt a) das Gemisch M1 mit einer Lösung eines synthetischen Bindemittels mit wenigstens 25 % Gew.-Anteil unverdünnten Materials in einem Lösemittel geknetet wird und das Kneten fortgesetzt wird, bis das Gemisch M1 und die Lösung in dem Lösemittel homogenisiert und das Losemittel der Lösung beseitigt ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem 90 Anteilen des Gemischs M1 5 bis 20 Anteile synthetisches Bindemittel (ausgedrückt bezogen auf unverdünntes Material) zugesetzt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das synthetische Bindemittel vorzugsweise ein Phenolharz und das Lösemittel vorzugsweise ein Alkohol ist.







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